香蕉型振動篩的結構優化設計

方 鵬，沈 琴

（溧陽市天目湖中等專業學校，江蘇 溧陽 213300）

引言

振動篩是利用振子激振所產生的往復振動而工作的，是一種適合潮濕細粒級難篩物料干法篩分的振動篩分機械設備，具有大振幅、大振動強度、較低的頻率和彈性篩面等特點，較高的開孔率可保證其具有較高的篩分效率和處理能力。不同型號規格的振動篩所具有的篩分面積以及處理能力是不同的，可根據現場實際需求選擇振動篩。

1 香蕉型振動篩的結構設計內容及具體方法

本文以江蘇振強機械科技股份有限公司提出的ZD系列香蕉型振動篩的應用場合，為適應長時間高振動強度工作的環境工況要求，企業提出對該型香蕉型振動篩的整體結構再設計，以滿足新環境的使用要求，確保香蕉型振動篩具有更高的強度和剛度。因此，為滿足企業提出的非標設計香蕉型振動篩的作業需求，研究結構設計合理、性價比高的香蕉型振動篩具有十分重要的實用價值。

1.1 香蕉型振動篩的功能需求分析

香蕉型振動篩是大型礦業選煤的常用設備，較水平型振動篩而言，香蕉型振動篩的結構和負載情況更為復雜，在其設計過程以及生產樣機過程中需要注意的環節更多，以避免香蕉型振動篩容易出現的側板開裂、激振主梁斷裂等故障問題?，F目前，雖然國產礦用大型香蕉型振動篩的發展迅猛，針對不同應用場合生產出礦用單層香蕉篩和多層香蕉篩等多種型號（如圖1），但距離國際先進水平依然存在一定的差距。因此，對于香蕉型振動篩的發展需求，運行高可靠性的大型香蕉型振動篩已成為各大選煤企業迫切需要解決的問題。

圖1 不同型號的礦用香蕉型振動篩圖例

結合企業目前對于香蕉型振動篩的應用需求，并分析前期各型號振動篩故障失效的原因可知，主要有兩點需要在設計新型香蕉型振動篩結構時引起注意，一是振動篩篩箱本體的工作頻率使用不合理，導致篩體局部發生共振現象，二是振動篩的出料端的強度及剛度均偏低，導致該部位最易失效[1]。本文針對企業提出的新應用環境工況要求，設計的香蕉型振動篩的篩箱按照前面介紹主要由側板、激振器主梁、橫梁、加強梁等組成，上述結構應滿足如下要求：

1）整體結構應具有高可靠性。目前，力封閉式的整體篩箱結構可形成空間桁架式，該結構可達到在同等工況下具有極高的使用壽命，保證了振動篩整體的壽命。

2）關鍵部件應采用優質合金鋼。香蕉型振動篩的關鍵部件位于激振器主梁以及出料口側板，應采用具有耐低溫沖擊韌性和抗層狀撕裂能力的優質合金結構鋼。

3）結構設計與加工制造應更加合理。橫梁部位可采用方形或圓形無縫管相結合的形式，截面強度需經過合理計算，同時橫梁外部應涂耐磨防腐材料，保證其表面的耐磨性、耐腐蝕性和耐沖擊性；對于側板，應采用整塊鋼板制作，并采用無焊縫設計，保證振動篩箱體整體結構無殘余應力。

1.2 香蕉型振動篩的整體方案設計

目前，對于香蕉型振動篩的設計主要依據是機械行業的標準《JB/T9022-1999振動篩設計規范》與《JB/T10460-2004香蕉型直線振動篩》。按照行業標準的設計要求，香蕉型振動篩的整機性能應在振幅誤差、篩箱橫向擺動、振動角誤差、振動頻率誤差、空載運行噪聲等方面要滿足標準要求，同時，還應結合實際使用工況條件，對香蕉型振動篩各設備參數進行選型以及校核驗算，以保證其新型結構在正常使用的條件下滿足更高的使用壽命，提高香蕉型振動篩的使用效率，減少故障損失時間。根據前面所述，本文以江蘇振強機械科技股份有限公司的ZD系列香蕉型振動篩產品的研發為工程研究背景，針對企業所提出的新工況環境要求對香蕉型振動篩的結構設計展開研究，設計了一種新型的香蕉型振動篩結構方案。為達到上述目的，筆者根據行業標準以及使用工況條件，計算給定了香蕉型振動篩的篩面規格、篩面面積、最大入粒粒度、篩面層數與段數、篩孔尺寸、篩面傾角、振動角、振幅、頻率以及生產能力等，并結合香蕉型振動篩各零部件的尺寸信息用Creo進行三維造型，再借助ANSYS/Workbench有限元分析軟件對振動篩的結構強度、剛度等做了仿真分析，得到了前10階固有頻率與頻響特性曲線，并對香蕉型振動篩的激振器主梁結構參數進行了優化分析。結果表明：在優化后的香蕉型振動篩整體結構性能滿足使用要求，從而在結構上較好的解決了在特定工況下香蕉型振動篩的故障失效問題，可滿足企業對于香蕉型振動篩的設計要求。

1.3 香蕉型振動篩分析的軟件實現

目前流行的三維造型軟件主要Solidworks、Creo、NX UG、CATIA等，而CAE分析軟件主要有NASTRAN、ABAQUS、ADINA和ANSYS等。結合企業的實際情況，以及筆者之前對ANSYS有一定的使用基礎，本文使用的主要軟件是三維造型軟件Creo以及有限元分析軟件ANSYS/Workbench。以下對兩款軟件的特點做如下介紹。

ANSYS是目前最常用的通用有限元分析軟件之一，其融合電場、結構、磁場、流體、聲場分析于一體，適應于多物理場和非線性問題的有限元分析。它包括若干個模塊，主要有前處理，計算模塊以及后處理。其中，前處理主要是模型建立以及網格劃分；計算模塊可分為結構分析、電磁場分析、壓電分析等，本文用到的是ANSYS公司開發的新一代產品研發集成平臺ANSYS/Workbench，運用的計算模塊是結構分析模塊，以便進行靜力學以及動力學分析；后處理模塊可以根據初始設置時監控參數的計算狀態并可在計算過程中進行實時監控。后處理模塊有內置很多計算公式，使用者可以根據需要進行參數選擇，也可以在初始設置時自行輸入公式，計算結束時在后處理模塊中查看結果[2]。

Creo是美國參數技術公司（PTC）旗下的三維造型軟件，整合了該公司的Pro/Engineer的參數化技術、CoCreate的直接建模技術和ProductView的三維可視化技術的新型CAD設計軟件包，具有互操作性、開放、易用等特點，可提供整個產品生命周期（包括設計、工程、制造等）的系統管理，在目前的三維造型軟件領域中占據重要的地位。Creo的主要設計內容有：特征驅動、參數化建模、曲面造型和載荷計算等。

2 香蕉型振動篩優化設計

2.1 香蕉型振動篩相關問題的處理

對于諧響應分析，系統假定的前提是施加的所有載荷是隨時間按正弦或簡諧規律變化的，必須指定需要輸入的載荷的幅值、相位角和強制頻率范圍。如果系統結構只承受單個載荷的作用，相位角可以忽略；如果系統結構同時承受若干個同頻率載荷，則相位角必須輸入。而系統結構對不同頻率載荷的動態響應情況可以通過后處理器疊加不同頻率的載荷狀態而得到。

因此，由于激振器產生的各個坐標軸上的激振力是有時間差的，本文所考慮的香蕉型振動篩在諧響應分析中施加的載荷也必須要考慮相位角，否則將會影響計算結果的正確性。香蕉型振動篩的簡諧激振力示意圖如圖2所示。

圖2 香蕉型振動篩的激振力方位示意圖

香蕉型振動篩的激振器產生的激振力幅值大小為P0=343756 N，工作頻率為ω=86.29 rad/s，從模態分析的計算可以看出，在前10階的固有頻率中前2階固有頻率在25 Hz以內，分別為22.640 Hz和24.198 Hz，而該香蕉型振動篩工作狀態時的激勵頻率為0～35Hz，因此在進行諧響應分析時，定義的頻率范圍不能低于35 Hz，這里定義的強制頻率范圍為0～40 Hz，設置300個子步來獲得參考節點位移對頻率的曲線圖。從上述計算結果可以看出激勵載荷的幅值均為85939 N，僅相位角不一樣，其中Fy1、Fx2、Fy2相對于的相差分別為、π。

2.2 諧響應結果分析與優化討論

采用ANSYS/Workbench有限元分析軟件進行諧響應分析，導入Harmonic Response分析模塊，依次定義材料屬性，導入幾何模型，劃分網格，定義彈性約束和激勵幅值與相位角，并設置好頻率求解范圍。分析結束后對香蕉型振動篩結構的頻響特性曲線進行查看，如圖3所示。

圖3 香蕉型振動篩諧響應分析的頻響特性曲線圖

從圖3中可以看出，香蕉型振動篩結構出現最大位移的臨界頻率為26 Hz，最大位移為5.3 mm。因此，對頻率為26 Hz的香蕉型振動篩結構的應力應變云圖作進一步分析，可得到如圖4所示的振動篩結構應力與位移云圖。

圖4 香蕉型振動篩在頻率為26 Hz時的分析云圖

從圖4可知，香蕉型振動篩結構在諧響應分析時，其頻率為26 Hz下的結構應力最大值為234 MPa，其位置在振動篩入料口的擋板處。由于該處的材料為Q235B鋼板，其應力值接近結構材料的許用值，表明香蕉型振動篩在頻率為26Hz時結構強度不符合設計要求，需要將對該型香蕉振動篩的結構進行改進優化。

針對振動篩主梁橫梁較為容易出現常見的斷裂或開裂等現象，本文對于香蕉型振動篩的結構改進選擇對中間主梁的橫梁截面尺寸進行優化設計，計劃通過增大橫梁截面尺寸，從而增強橫梁的結構剛度，以避免由于共振所造成的應力值過大，使其整體香蕉型振動篩的結構更為安全可靠。由于香蕉型振動篩的主梁分為兩種型號的鋼管，為便于區分，上面三個橫梁稱為“橫梁1號”，下面三個橫梁稱為“橫梁2號”，如圖5所示，具體的優化參數如表1所示。

表1 香蕉型振動篩主梁的橫梁結構具體優化參數表

圖5 香蕉型振動篩主梁的兩種橫梁結構

針對優化結構后的香蕉型振動篩再次進行諧響應分析，并對其進行頻響特性曲線查看，如圖6所示。從圖6中可知，優化后的香蕉型振動篩在臨界頻率處的最大位移值明顯下降，其數值為2.6 mm。

圖6 優化結構后的香蕉型振動篩諧響應分析的頻響特性曲線圖

同時，還給出了對應頻率26 Hz下的優化結構后的香蕉型振動篩的應力應變云圖，如圖7所示，可看出其最大應力值為117 MPa，低于材料的強度極限，因此，優化后的香蕉型振動篩在工作狀態下，其優化后的結構設計完全滿足要求，不會出現橫梁斷裂或開裂的情況，可以保證香蕉型振動篩的正常使用。

圖7 優化結構后香蕉型振動篩在頻率為26 Hz時的分析云圖

3 實踐意義

本設計是在以江蘇振強機械科技股份有限公司的ZD系列香蕉型振動篩產品為工程研發背景下，對香蕉型振動篩的整體結構和性能進行設計計算與仿真分析。針對在設計香蕉型振動篩結構時存在的篩箱工作頻率使用不合理、強度及剛度偏低等問題，結合企業歸納總結的工況使用環境載荷條件，全面設計了香蕉型振動篩的結構技術參數。為此，分別對香蕉型振動篩的激振器主梁、側板、橫梁等主要零部件進行了結構參數設計，尤其是對安裝激振器的主梁橫截面尺寸進行了優化設計，保證了香蕉型振動篩的結構強度，延長了振動篩的使用壽命。